核電池的意外復興

1970年，巴黎的外科醫生首次為患者植入了核動力心臟起搏器。此后5年間，至少有1400人（主要分布在法國和美國）植入了這類裝置。這種裝置的電池封裝在鈦金屬中，內含放射性同位素（通常約0.1克钚-238），不需要維護即可運行數十年。這項發明為患者帶來了福音，此前，他們每隔數年就需要通過手術更換起搏器的化學電池。

不過，隨著時間的推移，這些放射性裝置日益難以追蹤。在美國，這些設備本應被送回能源部進行钚回收，但現實往往并非如此。醫生離職、制造商倒閉、患者離世、家屬忘了親人體內還有起搏器……大多放射性物質最終被送入火葬場或棺槨。

全球各監管機構對這種現狀深感不安，紛紛叫停了該裝置的使用。最后一臺已知的核動力起搏器的植入時間為1988年。此后，除了深空探測器和西伯利亞燈塔等少數特殊用途外，核電池的研發和應用基本陷入停滯。

技術不會真正消亡，核電池也不例外。2000年后，相關研究再度活躍，只是缺乏商業轉化。過去一年里，全球多家企業和研究團隊宣布取得技術突破，表示將重振該技術并將其拓展至機器人、無人機、傳感器、太陽能農場，以及航天器和生物醫學植入設備等領域。

新興團隊采用了比以往設計更先進的新型現代技術，致力于制造史上最精密的核電池。與第一代產品相同的是，超長的使用壽命仍然是核電池的魅力所在，它們可持續工作數十年，若燃料選擇得當，甚至可能達到數百年。它們采用的封裝比化學電池更輕，能提供更多能量。

問題在于，誰會為此買單？作為核工程師、教授兼顧問，我在該領域深耕了近40年。據我觀察，這項技術不僅可行，而且相較于化學電池具備多重優勢，能夠安全使用。但極少有企業能真正為這些電池找到新市場并打造有影響力的產品。導致問題的部分原因在于，目前沒有完善的方案來追蹤放射源，并確保它們在電池壽命終結時得到妥善處理。

如今致力于攻克這些難題的企業數量遠超我職業生涯所見，這不僅有益于該領域的發展，也有助于為學術研究奠定基礎。這也給了我希望，核電池的黃金時代或許就是現在。

“核電池”一詞或許會讓人聯想到微型核反應堆，但其工作原理并非如此。核電池并非通過中子撞擊來分裂原子，而是捕獲原子核衰變時自發釋放的熱能。

大多數核電池研發團隊都專注于利用鎳和氫的放射性同位素的能量。在許多核電池設計中，鄰近半導體會吸收放射性同位素核釋放的輻射并將其轉換為電流，類似于太陽能電池。另一些設計則通過熱電裝置將輻射產生的熱能轉換為電能。因此，“放射性同位素電源”的表述比“核電池”更準確，但為了便于理解，本文將交替使用這兩個術語。

隨著實驗室成果的涌現，研究者正競相推動該技術的商業化。過去兩年來，英國原子能管理局、美國邁阿密的City Labs，以及中國的北京貝塔伏特新能科技有限公司和西北師范大學都宣布了有關半導體核電池的進展和融資情況，部分已制訂商業化計劃。2024年，美國圣迭戈的Infinity Power公司公布了一種轉換放射性同位素能量的新型電化學方法。

如果能實現商業化，這些電池適合哪些市場，在很大程度上取決于成本、安全性和許可問題。最具吸引力的應用場景當數深空探測無人航天器，這類任務需要可持續數十年的可靠能源。雖然太陽能電源可用于靠近太陽的任務，但當航天器抵達木星時，可用太陽輻照度會下降至地球水平的4%以下。

因此，核裂變電源和放射性同位素電源成為了深空任務唯二的可行方案。裂變技術適合太空中的高功率需求，如美國國家航空航天局的40千瓦月球裂變地表能源項目（Fission Surface Power Project）。針對較低功率的機載需求，核電池的設計更簡單、質量更輕。當前，太空任務中的主力軍是可產生數百瓦功率的放射性同位素熱傳導發電機（RTG）。

美國國家航空航天局在1977年發射的兩個旅行者號探測器各攜帶3臺放射性同位素熱傳導發電機，每臺重約38千克，含4.5千克钚-238。它們呈圓柱形，尺寸與辦公室的廢紙簍差不多。其初始發電功率為157瓦，但會隨著钚-238的衰變而逐漸下降。以1977年發射時旅行者號配備的157瓦放射性同位素熱電發生器為例，如今其電能輸出約為88瓦。

核電池的另一個很好的應用場景是為地球上的偏遠地區供電。例如，自20世紀70年代起，蘇聯在俄羅斯西北部部署了超過1000臺放射性同位素熱傳導發電機，以便為無人值守的燈塔、無線電信標和氣象站供電。這些電池大多采用鍶-90，單臺重約2000千克。美國也部署了數百套類似系統來為陸地偏遠地區和海底設施供電，尤其是在北極偏遠監測站點。

盡管核電池在太空探索、偏遠地區供電和心臟起搏器領域獲得了成功，其長壽命特性卻尚未出現新用途。許多設備都能因長效電池而受益，例如與汽車壽命相同的無線胎壓傳感器。但選擇放射性電池需要權衡收益、風險和成本。

制約核電池普及的另一個因素是燃料的追蹤需求。幾乎在任何國家和地區，面向公眾的核電池買賣雙方均需持有相關許可證（參見《少年在家中囤積大量放射性物質的警示故事》）。買方通常還需承擔材料的追蹤與處置責任。雖然密切關注放射性物質是必要的，但也增加了面向大眾應用場景的復雜性。

為士兵提供長效電源是一項效益或將超過風險和成本的新用途，美國軍方已進行了相關探索。士兵常常需要深入偏遠或不穩定地區執行任務，當地缺電會導致他們無法為設備充電。因此士兵不得不攜帶電池，而電池的重量和續航時間嚴重制約了任務的執行。小型核電池的能量密度遠超化學電池，可提供輕量化替代方案（重量可能僅為化學電池的1/100）。但需為其加裝防護外殼，以防士兵受到輻射，還要采用可耐受惡劣環境的設計，這些都會增加其重量。

為通信、移動或飛行的自主傳感器或機器人供電是核電池的另一種潛在用途。尤其值得關注的是軍民兩用的昆蟲級微型飛行無人機。但無人機完成飛行后回收電池很困難，甚至可能遺留微量放射性物質污染環境。

下面再來看看微型核電池商業化的工程挑戰。通常，將有前景的電池技術從實驗室推向量產是個復雜的過程，失敗概率遠高于成功概率。至于核電池，還需要在成本、功率、安全性和使用壽命之間進行多因素權衡。

首先是選擇燃料，即一種在衰變時可釋放輻射的元素的同位素。這類同位素會釋放3種輻射：γ射線、β粒子和α粒子。γ射線是短波長電磁波，可穿透大多數固體（包括活體組織）并深入其內部，它難以被封裝、約束和捕獲，因此通常要避免使用會產生γ輻射的同位素。

純β或α發射體是核電池的更佳選擇。β粒子是電子，固體穿透范圍中等，其衰變能量從幾千電子伏特（氚，即氫-3）到幾兆電子伏特（氟-20）不等。α粒子則相反，其發射能量高于β粒子（通常約5兆電子伏特），連一張紙都無法穿透，但它們會與設備原子核碰撞造成缺陷，從而損壞半導體。因此，α發射體最適合可將源燃料產生的熱能轉換為電能的非半導體電池技術。

鎳、碳、氫、硫、钷、釙和钚的放射性同位素均釋放β粒子或α粒子，是核電池的理想選項（參見表格“核電池常用放射性同位素”）。具體選擇哪一種取決于該同位素的半衰期和衰變能量等因素。

若追求最長電池壽命，則應選擇半衰期長的同位素，因為電池的輸出功率每過一個半衰期就會減半。若使用氚作為燃料的設備，每12年功率減半，而钚-238電池每88年功率減半。

如果目標是最大化電池的功率密度（例如用于昆蟲級微型無人機），則需要半衰期短的同位素。以釙-210為例，它的半衰期只有幾個月，但功率密度達141瓦/克，可提供足夠的能量來攜帶有效載荷。半衰期短意味著它只能工作數月，并在幾年內完全衰變。但對于可能被遺棄的微型無人機而言，這或許是件好事。（注意：上述功率密度考慮的是熱功率，轉換為電能時存在損耗，因此使用相關燃料的實際設備輸出功率密度將略低。）

最安全的核電池燃料是氚和鎳-63，它們產生的低能量β粒子更易被屏蔽，且對半導體的損傷遠小于α粒子。但純氚的操作難度大，因為它在室溫下呈氣態，雖然可以將其轉化為金屬氫化物，但此過程中需要將其與穩定的同位素混合，這樣會降低能量密度。另一個設計考量是，這些安全的低能量β發射體的穿透深度較淺，因此要求燃料源必須非常薄，否則粒子無法抵達半導體。

那么，供應與成本如何？所有放射性同位素都價格高昂且通常只能小批量獲取。幾乎任何放射性同位素都可以通過在反應堆核心放置專用靶材的核裂變方式制造，也可以使用粒子加速器制備。部分放射性同位素還可以從乏核燃料中提取。但是沒有簡單或低成本的方法，因為每個步驟都需要處理放射性材料。

每克氚的成本約為3萬美元，能夠產生約0.3瓦熱功率，通常情況下輸出功率僅為幾毫瓦。钚-238供應量極其有限，美國國家航空航天局甚至需要根據該燃料的供應情況制訂發射計劃。因此，美國國家航空航天局正在探索用镅-241來替代钚-238。如果這些材料的市場需求大幅增長，成本將如何變化尚不清楚。

選定燃料后，還要選擇能量轉換技術。20世紀50年代開發的早期放射性同位素電源僅收集帶電衰變粒子，在收集器和放射源之間產生電位差（即電壓），從而發電。這類設計中的電流本身過低，因此電池必須以千伏級高壓工作才能實現合理的轉換效率，但事實證明，其難度過大。

要解決這個問題，可使用半導體將放射源發射的每個帶電粒子轉化為數千個載流子，使設備能在幾伏而非幾千伏的電壓下運行。這種設備的物理原理本質上與太陽能電池相同，只不過其輻射源來自放射性同位素而非太陽。當放射性同位素為β粒子發射體時，我們稱該設備為“貝塔伏特”電池。

貝塔伏特電池自20世紀50年代研發至今，其特點是放射性發射體和硅二極管吸收體。發射體自然衰變時，電子會（以β粒子的形式）撞擊吸收體，從而產生級聯電子-空穴對，即電子脫離自己的原位置，留下“空穴”，形成微弱但穩定的電流。此過程與太陽能電池中光激發產生電子-空穴對的過程類似。

采用硅二極管的貝塔伏特電池的轉換效率為百分之幾，碳化硅版本的轉換效率最高可達10%，通常工作電壓約1伏。某些型號的效率最高可達23.5%。近期對貝塔伏特電池的研究使用了金剛石半導體，因為它的帶隙更大，可實現更高的轉換效率。

貝塔伏特電池是固態器件，結構簡單且成本較低，是制造低功率（低于1毫瓦）核電池的理想方案。雖然它們也可用于制造高功率設備，但這種情況下，人們通常會選擇α發射體以實現更高的功率密度。然而，由于α粒子會損壞半導體，所以通常需要使用將熱能轉換為電能的轉換技術。

例如，美國國家航空航天局在其放射性同位素熱傳導發電機中采用了熱電轉換技術。不僅旅行者1號和2號依靠放射性同位素熱傳導發電機供電，兩輛火星車以及40余項國家航空航天局任務也采用了該技術。如果你看過電影《火星救援》，或許還記得馬特·達蒙飾演的角色獨自被困在火星時使用放射性同位素熱傳導發電機的情景：火星車行進時，他需要熱源來保溫，于是挖出了以前任務遺留的放射性同位素熱傳導發電機，把它裝在了車內。

為了將熱量轉換為電能，放射性同位素熱傳導發電機采用了一系列由兩種不同導體的連接點組成的熱電偶。這些組件在溫度梯度下會產生電勢（通過塞貝克效應）。20世紀70年代的起搏器同樣采用了熱電轉換技術，只是規模較小。

其他更前沿的轉換技術包括輻射發光轉換、熱離子轉換和熱光伏轉換（參見插圖說明“另外3種放射性-電能轉換技術”），這些技術在實驗室中的表現都很好，但需要較高的工作溫度或存在衰減問題。大多數企業都專注于開發貝塔伏特技術，因為該技術使用了更安全的β發射體。

自20世紀70年代小型貝塔伏特電源發明以來，大多數核電池研究都聚焦于低于1微瓦的功率級別（參見表格“核電池研發組織一覽”）。許多研究至今仍處于保密狀態。該領域專利稀少，因此難以評估其特性和優勢。

北京貝塔伏特新能科技有限公司表示已研制出100微瓦電池，其尺寸約為即食麥片塊大?。?5毫米×15毫米×5毫米），使用壽命可達50年。目前，該公司的貝塔伏特電池研究使用了鎳-63、氚、钷-147和鍶-90，以及金剛石半導體，用于將能量轉化為電能。

2024年，北京貝塔伏特新能科技有限公司宣布計劃于2025年推出商用1瓦版本，但截至發稿時仍在為此申請許可和融資。其電池的潛在應用包括航空航天、醫療植入物、可穿戴設備、微機電系統、先進傳感器、小型無人機、微型機器人、執法設備，以及消防安全遠程通信。

假設北京貝塔伏特公司設備的轉換效率約為5%，其電池需容納約20居里（7400億貝克勒爾，合0.4克）鎳-63，遠遠超出了市場上通常可獲取的鎳-63供應量，后者一般為毫居里級別。

Infinity Power公司在其硬幣大小的電池中使用的也是鎳-63，但由于開發了新型電化學轉換工藝，所需的燃料可能較少。該公司宣稱其轉換效率超過60%，約為目前最好的放射性同位素發電機的6倍。

在Infinity Power的設計中，同位素溶解或懸浮于專利液態電解質中。放射性同位素衰變會產生可電離電解質的高能β粒子，在浸入溶液的陰陽極之間形成電位差，驅動電子流經外部電路，從而發電。

學術界和政府的研究人員也在積極研發核電池。2024年，英國布里斯托大學和英國原子能管理局宣布其開發了以碳-14（碳的一種放射性同位素）為燃料的電池。這種放射性碳同位素的半衰期長達5700年，理論上可使電池持續運行千年。英國擁有充足的燃料供應，因為可以從本國的石墨慢化氣冷裂變反應堆中提取碳-14。碳-14可產生最大能量為156千電子伏特的β粒子，這個數值非常低，可避免損壞電池的金剛石半導體。

與此同時，一個來自中國的合作團隊在2024年12月的《IEEE核科學學報》上發表了關于輻射發光核電池的論文。該團隊使用了發射電磁輻射的X射線源來模擬發射電子的β射線源以了解設備的性能。X射線光子激發了兩種無機閃爍體發光，商用硅光電二極管則將光能轉換為電能。

這些初創企業構想的產品前景可期，能否取得長期成功，關鍵在于能否找到核電池利大于弊的市場。太空市場對此類設備的需求強烈，但新市場能否涌現仍有待觀察。文章來源于悅智網，作者James Blanchard

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